无人飞行器控制参数离线优化与在线调整研究

摘要

无人飞行器在军事、民用范围内都体现出了巨大的应用市场和成绩，已成为一个热门的技术研究方向，受到了世界各国的高度重视。飞行控制律参数的选择和优化是无人飞行器飞行控制系统设计中的核心问题之一，直接影响无人飞行器执行任务的效果和飞行安全。研究无人飞行器自动飞行控制律参数整定和实时调整方法具有极其重要的应用价值。
　　论文针对无人飞行器飞行控制律参数难以整定，需要随着飞行状态和外界扰动情况进行实时调整以消除控制偏差的难题，采用参数离线优化和在线调整相结合的研究思路，首先对无人机控制系统进行了建模和仿真分析，讨论了飞行状态改变和外界风场扰动对无人机飞行控制效果的影响及对控制参数调整的需求；提出了改进后的混合模拟退火粒子群优化算法来对参数进行离线整定和优化；设计了舵面平衡位置参数实时偏差修正算法，消除由飞行状态改变导致的控制系统偏差；针对侧风扰动影响，采用基于地速的制导算法，结合实时控制参数调整算法，修正航迹控制偏差；最后对研究成果进行了仿真和飞行试验验证。
　　针对飞行控制律参数难以整定的问题，研究粒子群优化算法，进行了单个粒子运动轨迹的收敛性分析和参数敏感性分析，提出了改进后的模拟退火算法；采用复杂函数对改进后的算法进行了仿真测试。并基于研究的无人机模型进行了的控制参数优化，对优化结果进行了仿真分析，结果令人满意。
　　而实际飞行状态改变后，无人机舵面平衡位置需要进行实时修正，否则将引起控制系统偏差。论文对平衡位置修正方法进行了研究，包括理论计算、传统积分算法等，在积分算法的基础上进行了改进，提出了平衡位置参数实时修正算法，对无人机纵向和横航向的控制仿真结果验证了提出的实时修正算法的有效性。
　　针对实际飞行中侧风扰动会导致航迹控制偏差的问题，论文采用基于地速的制导算法消除侧风影响，同时引入控制偏差对控制律参数的修正算法，减小超调，提高航迹跟踪的精度；并提出了根据地速实时调整航向控制指令的方法，加快无人机在顺风条件下的航线跟踪速率。
　　为了检验所研究内容的有效性，通过搭载自主研发自驾仪的试验无人机，分别围绕无人机纵向和横航向控制律开展了飞行试验，得到了更可靠的飞行试验验证数据，进一步证实了本文研究内容的有效性和实用性。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景与现状

1.2 研究意义

1.3 本文主要工作

第二章 无人机控制系统建模与偏差分析

2.1 无人机本体建模

2.2 飞行环境与设备建模

2.3 控制器建模

2.4 控制偏差分析

2.5 本章小结

第三章 控制参数离线优化

3.1 粒子群优化算法

3.2 粒子群优化算法改进

3.3 基于无人机模型的参数优化

3.4 本章小结

第四章 系统偏差在线修正

4.1 平衡位置修正

4.2 纵向的系统偏差修正

4.3 横航向的系统偏差修正

4.4 本章小结

第五章 控制参数在线调整

5.1 无人机制导算法修正

5.2 可变控制参数

5.3 本章小结

第六章 飞行试验

6.1 飞行试验系统

6.2 无人机纵向控制

6.3 无人机横航向控制

6.4 本章小结

结 束 语

主要进展与创新点

下一步研究方向

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录A 无人机线性化方程中的大导数